臺灣博碩士論文加值系統

本研究包含了，重建三維立體模型探討以非侵入式的方法，利用高解析度電腦斷層掃描影像，重建活人體三維外耳影像，其係包括了耳廓、耳道以及耳模，並進行其三維模型幾何外型量測，量測係包括體積、長度及角度，再將此模型以有限元素法為模擬基礎，進而模擬耳道內音場分佈、耳道型助聽器自然頻率振動分析，以及耳道型助聽器受外力分析。
本研究主題其一，係以非侵入式的方式量測出活人體外耳廓及耳道之幾何外型，利用高解析度電腦斷層掃描配合影像雜訊處理及灰階值調整，再重建出三維外耳耳廓及耳道模型，進行其幾何外型大小之量測，對於臨床醫師在疾病的分析及其變化性能更有效及快速的了解，在臨床上術前規劃及術後追蹤也是大有幫助的。
在本研究主題其二，在臨床醫師對外耳道疾病病患進行耳道重建術時，將導致耳道有些許的幾何外形改變及位移，如需配戴助聽器在進行灌製耳模時，也使耳模精準度受到引響；故本研究主題二是利用高解析度電腦斷層掃描影像，額取耳道區塊影像進行重建活人體耳道之三維模型，並量測其幾何外型包括耳道前後壁長度及第一彎道與第二彎道之角度，用以三角函數餘弦定律及正弦定律，進行計算耳道二維曲率，不僅提供臨床醫師於耳道重建術之前，可透過模型來了解病患原有耳道之幾何外形及異常狀況，並可做到最完善地耳道疾病分析及重建形術規劃，及聽力師在灌模時考量。
本研究主題其三，由於外耳道為聲音氣導傳遞的一個重要通道，耳道之幾何外型也為配帶助聽器之重要環節，從封閉式耳模助聽器到目前的開放式選配助聽器，皆需要考量耳道的幾何外型及體容積，目前臨床上使用之真耳測試，皆著重於靠近鼓膜處之測量，並未分析耳道內聲壓分布與其共振之影響。因此，本研究主題三為三維影像重建活人體耳道，並以有限原素法模擬活體人耳道內之聲壓分析。
本研究主題其四，對於聽力受損之患者往往皆須選配助聽器幫助其放大聲音，其中耳模是助聽器的外殼，也是接觸到耳朵的儀器，而耳道型助聽器係位於耳甲艇及耳甲腔延伸至耳道第一彎道處，在製作耳模必須利用灌模方式來取得緊配之耳模，其中耳模在助聽器的使用過程中，常因耳模鬆脫，無法與人耳道緊密配合而造成漏音，因此，利用活體人外耳道電腦斷層影像，重建耳道型助聽器耳模之三維立體模型影像，其中耳模包括了耳殼及耳模內部空間，並進行幾何外型量測，探討耳道型助聽器之體容積大小，也提供了製作耳模時快速、精確度高、減少翻模及修模次數，可減少誤差率之方法。
本研究主題其五，由於耳道型助聽器在配戴時，因每個物體都有它的固定的頻率和模態，物體的剛性和結構、形狀固定，那麼這些天生的振動頻率也就固定下來，當外界聲波與自然頻率相同時會產生共鳴，也可謂較大的振動，耳模鬆脫及不緊配，無法與人耳道皮膚緊密配合而產生漏音、回饋音及共振時所造成的不舒適感，造成放大聲音效能的損失。因此，本研究主題五係以利用高解析度電腦斷層掃瞄影像進行耳道型助聽器耳模重建，並以有限元素法進行耳道型助聽器自然頻率振動模態之探討，找出耳道型助聽器在自然頻率125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz及8000Hz下之振動模態。
最後的第六個研究，主要是探討助聽器發出的聲音對耳模鬆脫之影響，並利用高解析度活人體外耳道電腦斷層影像，重建耳道型助聽器耳模之三維立體模型，再以有限元素法分析在耳道型助聽器耳模所發出的頻率為125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz、8000Hz及音強為50dB SPL、60 dB SPL、70 dB SPL、80 dB SPL、90 dB SPL、100 dB SPL等聲音下，耳道型助聽器耳模之振動模態。

The three-dimensional model was reconstructed by reversed engineering (RE) in this study. This study is to non-invasively reconstruct the 3D image of in-vivo human ear canal by high-resolution computed tomography (HRCT). The pinna, ear canal and earmold were included in the measurement. Then the volumes, lengths and angles of the 3D geometry were measured. The distribution of sound field in ear canal, the natural frequency vibration analysis and the harmonic force analysis of in-the-canal hearing aid (ITC) would be processed by finite element method (FEM). Hence, the results of this study will help the clinician know the geometry of human ear for surgical plan at pre-op of otoplasty and for tracking at post-op.
There were six themes in this study. First of all, the geometry of in-vivo human pinna and ear canal was measured non-invasively. The 3D model of pinna and ear canal was reconstructed and then measured based on the image processed by HRCT. Second, the 2D curvature of in-vivo human ear canal was measured non-invasively. The angles and curvatures of superior and inferior walls of first and second bends were measured. The 2D curvature of ear canal was computed by sine and cosine laws. Third, the in-vivo human ear canal was reconstructed by RE. The distribution of sound field was analyzed by FEM. The data obtained in this study can be the reference for clinicians and audiologists. Fourth, the 3D model of earmold of hearing aids, including the ear shell and the housing, was reconstructed by RE based on the image of in-vivo human ear canal obtained by CT. The geometry was measured and then the volume of ITC hearing aid was discussed. The results of this study will help audiologists produce ear impression more rapidly and accurately. Fifth, the natural frequency and vibration of ITC hearing aid earmold reconstructed by HRCT was discussed by FEM. The vibration of ITC hearing aid was analyzed with natural frequency at 250 Hz, 500 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz, 4000 Hz and 8000 Hz. Finally, the influence of sound coming from the hearing aids on the loose of earmold was discussed. The vibration of ITC earmold reconstructed by FEM with frequencies (at 125 Hz, 250H z, 500 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz, 4000 Hz and 8000 Hz) and sound intensity (at 50 dB SPL, 60 dB SPL, 70 dB SPL, 80 dB SPL, 90 dB SPL and 100 dB SPL) was analyzed.

目 錄
中文摘要 i
英文摘要 iv
誌 謝 vi
目 錄 vii
圖 目 錄 viii
表 目 錄 xi

第一章 簡介 1
1.1前言 1
1.2研究背景 1
1.2.2 外耳構造及功能 4
1.3聽覺輔具 7
1.3.1 助聽器 7
1.3.2 耳模 8
1.4有限元素 9
1.4.1前處理(pre-processing) 12
1.4.2加負載及求解(solution) 12
1.4.3後處理(post-processing) 14
1.5 研究方法及目的 15
第二章 非侵入式量測活體人耳廓及耳道 17
2.1研究動機及目的 17
2.2研究與方法 21
2.3結果與討論 22
2.4結論 23
2.5參考文獻 24
第三章 活體人耳道彎道角度及二維曲率量測 34
3.1研究動機及目的 34
3.2研究與方法 36
3.3結果與討論 38
3.4結論 40
3.5參考文獻 41
第四章 活體人耳道內之聲場分析 52
4.1 研究動機及目的 53
4.2研究與方法 55
4.3結果與討論 59
4.4結論 61
4.5參考文獻 62
第五章 耳道型助聽器重建之幾何外型量測 77
5.1 研究動機及目的 77
5.2 研究與方法 80
5.3 結果與討論 82
5.4 結論 83
5.5參考文獻 84
第六章 耳道型助聽器自然頻率振動模態分析 97
6.1 研究動機及目的 97
6.2研究與方法 99
6.3結果與討論 101
6.4結論 102
6.5參考文獻 103
第七章 耳道型助聽器耳模振動模態之探討 113
7.1研究動機及目的 113
7.2材料與方法 115
7.3結果與討論 117
7.4結論 119
7.5參考文獻 120
第八章 總結 133
第九章 研究領域相關投稿 137
圖 目 錄
圖1-1 人耳之構造 3
圖1-2 外耳之耳廓 6
圖1-3完整的有限元素分析程序 11
圖1-4 本研究有限元素分析流程 14
圖2-1非侵入式量測活體人耳廓及耳道流程 25
圖2-2 外耳右耳顳骨之CT影像 26
圖2-3 重建過程耳廓(A)和(B)耳道之CT影像圖 27
圖2-4 重建過程應用4 VIEW顯示三維立體模型(A)、AXIAL(B)、CORONAL(C)及(D)SAGITTAL 28
圖2-5 重建完成之三維立體耳廓(A)及(B)耳道影像 29
圖2-6 耳廓(A)、耳甲艇(B)、耳甲腔(C)及(D)耳道 30
圖2-7 耳甲艇(A)、耳甲腔(B)、耳道(C)、第一彎道(D)及(E)第二彎道 31
圖2-8 重建之三維立體外耳模型幾何外型量測 32
圖3-1 活體人耳道彎道角度及二維曲率量測流程 42
圖3-2 外耳顳骨之CT影像 43
圖3-3 分離出鼓膜(A)與(B)耳道之界線 44
圖3-4 第一彎道前壁5.10MM、第一二彎道前壁間5.50MM、第二彎道前壁5.73MM、第一彎道後壁4.08MM、第一二彎道後壁間4.14MM、第二彎道後壁7.77MM 45
圖3-5 第一彎道前壁角度143度、第二彎道前壁角度132度、第一彎道後壁角度130度、第二彎道後壁角度151度 46
圖3-6 公式(1)餘弦定律第一彎道前壁(B)和第一彎道前壁(C)及一夾角為第一彎道前壁夾角(A) 47
圖3-7 右耳耳道第一彎道前壁曲率及曲線圖 48
圖3-8 右耳耳道第二彎道前壁曲率及曲線圖 48
圖3-9 右耳耳道第一彎道後壁曲率及曲線圖 49
圖3-10 右耳耳道第二彎道後壁曲率及曲線圖 49
圖3-11 左耳耳道第一彎道前壁曲率及曲線圖 50
圖3-12 左耳耳道第二彎道前壁曲率及曲線圖 50
圖3-13 左耳耳道第一彎道後壁曲率及曲線圖 51
圖3-14 左耳耳道第二彎道後壁曲率及曲線圖 51
圖4-1 活體人耳道內之聲壓分析流程 63
圖4-2 外耳右耳顳骨之CT影像 64
圖4-3 影像閥值處理技術功能強化耳道及顳骨影像的對比度 65
圖4-4 圈選外耳道範圍CT影像 66
圖4-5 選用原始堆疊NONE之方法重建(不經影像平滑化處理) 67
圖4-6 影像堆疊重建後三維立體耳道內空氣(A)及(B)耳道皮膚模型，R為頭顱右方、L為左方、D為下方、U為上方 68
圖4-7 三維重建耳道模型耳道皮膚(A)及(B)耳道內空氣 69
圖4-8 活人體耳道直線性聲壓分析三維重建幾何外型重建模型，給予刺激音之耳道口(箭頭處) 70
圖4-9 匯入CAD軟體SOLID WORKS®進行破損面檢測及轉檔(*STL) 71
圖4-10 匯入有限元素軟體分析耳道內直線性聲壓VOLUME顯示 72
圖4-11 匯入有限元素軟體分析耳道內直線性聲壓流程ELEMENT顯示，利用FREE MESH網格劃分出5752個網格 73
圖4-12 耳道口音頻125HZ及聲壓60DB SPL所產生之聲壓分佈圖，最大聲壓分佈點 (A)及(B)最小聲壓分佈點 74
圖5-1 耳道型助聽器重建之幾何外型量測流程 85
圖5-2 閥值影像調整處理 86
圖5-3 圈選重建耳道型助聽器耳模之二維影像，其中助聽器訊號處理空間(箭頭處) 87
圖5-4 選用原始堆疊NONE之方法重建(不經影像平滑化處理) 88
圖5-5 重建ITC耳模之三維立體模型耳甲腔(A)及(B)耳道 89
圖5-6 圈起黃色區塊為放音端部份修建成相識形狀 90
圖5-7 ITC耳模訊號處理器空間(A)及(B)耳模外殼 91
圖5-8 網格簡化(SIMPLIFIER)功能進行網格簡化處理技術之最佳化分析 92
圖5-9 利用網格簡化(SIMPLIFIER)功能進行表面平滑處理技術之最佳化分析 93
圖5-10 ITC耳模幾何外型量測 94
圖5-11 ITC耳模體容積比較誤差小於0.1%(0.095%) 95
圖6-1 耳道型助聽器自然頻率振動模態分析 104
圖6-2 影像經閥值調整處理後 105
圖6-3 影像重建完成之配戴ITC助聽器之外耳耳廓(A)、耳甲腔(B)及(C)耳道 106
圖6-4 影像重建之三維ITC助聽器(有平滑化堆疊後圖) 107
圖6-5 重建三維ITC助聽器進行網格簡化處理後(無平滑化堆疊使用NONE重建影像) 108
圖6-6 ITC助聽器三維模型匯入有限元素AREA顯示 109
圖6-7 ITC助聽器三維模型有限元素MESH完成後ELEMENT顯示 110
圖6-8 自然頻率125HZ振動最大位移為2.184MM 111
圖7-1 耳道型助聽器耳模振動模態之探討流程 121
圖7-2 影像經閥值調整處理後 122
圖7-3 醫學影像軟體利用NONE的功能進行原始影像堆疊重建 123
圖7-4 利用網格簡化功能進行網格簡化及表面平滑處理 124
圖7-5 匯入SOLID WORKS®軟體進行破損面檢測，零破裂面才得以轉檔成*SAT檔匯入有限元素軟體ANSYS® 125
圖7-6 耳甲腔無接觸皮膚面(A)及(B)放音端無固定，並再(A)處給外力音頻及聲壓 126


表 目 錄
表2-1. 耳廓、耳甲、耳甲艇、耳甲腔 及耳道之表面積與體積 33
表4-1 活人體耳道三維重建幾何外型體容積量測 75
表4-2 耳道皮膚材料參數 75
表4-3 耳道空氣材料參數 75
表4-4 耳道口音頻125HZ至8000HZ及聲壓60DB SPL所產生之聲壓 76
表5-1 無影網格簡化處理ITC耳模之體容積計算 96
表5-2 網格簡化處理ITC耳模之體容積計算 96
表6-1 ITC耳模幾何外型體容積計算 112
表7-1 聲壓為50 DB SPL與音頻125HZ到8000HZ 127
表7-2 聲壓為60 DB SPL與音頻125HZ到8000HZ 128
表7-3 聲壓為70 DB SPL與音頻125HZ到8000HZ 129
表7-4 聲壓為80 DB SPL與音頻125HZ到8000HZ 130
表7-5 聲壓為90 DB SPL與音頻125HZ到8000HZ 131
表7-6 聲壓為100 DB SPL與音頻125HZ到8000HZ 132

2.5參考文獻
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